travaux pratiques d`introduction à l`étude des réactions

Elèves-Ingénieurs en Sciences et Génie des Matériaux
2ème année
TRAVAUX PRATIQUES
D’INTRODUCTION À L’ÉTUDE
DES RÉACTIONS ÉLECTROCHIMIQUES
G. BARRAL B. LE GORREC C. MONTELLA
(UJF) (IUT 1) (ISTG)
GRENOBLE 2003

SOMMAIRE
PRÉSENTATION ET ORGANISATION DES TP...........................................................2
I- PRÉVISION ET OBSERVATION DE RÉACTIONS ÉLECTROCHIMIQUES
I.1- Réactions électrochimiques spontanées : corrosion, cémentation, pile en décharge.....6
I.2- Régulations en tension ou courant pour l’étude des systèmes électrochimiques.......14
I.3- Réactions électrochimiques non spontanées : exemples d’électrolyses.....................22
II- ÉTUDES DE RÉACTIONS ÉLECTROCHIMIQUES
II.1- Formation de H2 sur différents métaux.....................................................................27
II.2- Dépôts métalliques : exemples des dépôts cathodiques de Cu et Cd.........................32
II.3- Corrosion électrochimique uniforme : exemple de la corrosion de Cu par FeIII........39
II.4- Corrosion galvanique : exemples des couples Fe-Cu, Zn-Fe et Fe-Cr.......................48
ANNEXE
Régulations en tension ou courant pour l’étude des systèmes électrochimiques................57
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TP d’Électrochimie, Elèves-Ingénieurs SciGMa 2ème année, Polytech’Grenoble, 2003 1

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PRÉSENTATION ET ORGANISATION
DES TRAVAUX PRATIQUES
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PRÉSENTATION DES TRAVAUX PRATIQUES
Les Travaux Pratiques d’introduction à l’étude des réactions électrochimiques de 2ème année
de la formation “Ingénieurs en Sciences et Génie des Matériaux” de Polytech’Grenoble sont
une illustration, un prolongement des Cours de Thermodynamique Électrochimique (1ère année)
et de Cinétique Électrochimique, Application à la Corrosion (2ème année). La connaissance des
documents fournis dans le cadre de ces enseignements est donc nécessaire à la compréhension et
l’analyse des expériences proposées.
Les expériences décrites dans ce recueil sont groupées selon deux thèmes1. La première partie
traite de la prévision thermodynamique puis de l’observation de quelques réactions électro-
chimiques à l’interface métal / solution aqueuse. Le TP I.1 donne ainsi des exemples de réactions
électrochimiques spontanées au sens thermodynamique mettant en jeu des processus de corrosion
ou de cémentation. La corrosion est très dommageable pour les pièces et les structures
métalliques et son étude, ainsi que celle des moyens de lutte contre la corrosion, est toujours
d’actualité. La cémentation électrochimique quant à elle est une méthode de récupération de
certains métaux à partir de bains ou d’effluents industriels. Un exemple de réactions électro-
chimiques spontanées se déroulant simultanément aux deux électrodes d’une pile en décharge est
également donné dans ce TP.
Avant d’étudier les réactions électrochimiques non spontanées, il est nécessaire de se
familiariser avec les régulations électriques adaptées à la commande des systèmes électro-
chimiques. C’est le but du TP I.2 et de l’Annexe à la fin du recueil qui donne les principes de
fonctionnement d’une régulation en tension d’électrode ou en courant dans une cellule
électrochimique à trois électrodes. Ce type de cellule est couramment utilisé pour les études de
cinétique électrochimique.
1 Les expériences proposées sont réalisées à des interfaces électrode / solution aqueuse pour des raisons de facilité
de mise en oeuvre en TP. Si l’électrochimie des solutions aqueuses est très développée en milieu industriel dans
des domaines variés tels que l’électrosynthèse, les dépôts métalliques, l’étude des phénomènes de corrosion, les
capteurs et les générateurs électrochimiques, l’électrochimie en milieu de sels fondus et l’électrochimie des
électrolytes solides tiennent également une place importante dans ces domaines. L’électrochimie mettant en jeu des
polymères, l’électrochimie en milieu organique et la bioélectrochimie sont par ailleurs en développement.
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TP d’Électrochimie, Elèves-Ingénieurs SciGMa 2ème année, Polytech’Grenoble, 2003 2

Le domaine de l’électrolyse, c’est à dire l’étude des réactions électrochimiques non spon-
tanées qui sont réalisées par apport d’énergie électrique extérieure, est abordé dans le TP I.3 en
prenant des exemples de réactions de dépôt ou d’oxydation métallique (Cu) et de réactions de
formation de gaz (H2, O2, Cl2).
La seconde partie du recueil présente différents exemples d’études de réactions électro-
chimiques : réaction de formation de H2, réactions de dépôt métallique et réactions de corrosion
métallique. Le TP II.1 est consacré à la cinétique de formation du dihydrogène par réduction du
proton sur différents métaux; il est une introduction à l’électrocatalyse. Les conditions de dépôt
d’un métal (ou électrodéposition) et de son éventuelle compétition avec la formation de dihy-
drogène sont abordées dans le TP II.2 en prenant les exemples des dépôts cathodiques du cuivre
et du cadmium. Le principe de la corrosion uniforme d’un métal au contact d’une solution
agressive est illustré dans le TP II.3 par la technique de gravure électrochimique du cuivre par une
solution aqueuse de chlorure de FeIII. La corrosion galvanique résultant de la formation d’une
pile électrochimique locale par mise en contact de deux métaux différents et d’une solution
conductrice ionique est enfin étudiée dans le TP II.4 pour les couples Fe-Cu, Zn-Fe et Fe-Cr.
D’autres applications de l’électrochimie dans les domaines des générateurs et des capteurs
électrochimiques, de la corrosion électrochimique, des composés électrochromes, sont étudiées de
manière plus approfondie dans les enseignements pratiques (mini-projets) d’Applications de
l’Électrochimie de 3ème année de la formation “Ingénieurs en Sciences et Génie des Matériaux”.
ORGANISATION DES TRAVAUX PRATIQUES
Le déroulement des TP est linéaire et non cyclique. Le même TP est donc réalisé simul-
tanément par tous les élèves. Ceci permet d’assurer une progression logique dans la réalisation
des expériences.
Afin de permettre le travail des élèves en binôme, l’accueil en salle de TP est réalisé en
alternance par demi groupe. Une séance de travaux pratiques est ainsi divisée en deux parties de
deux heures chacune, l’une consacrée à la préparation du TP suivant et/ou à la rédaction du
compte-rendu sur le TP précédent (en salle de travail et en présence d’un enseignant) et l’autre à
la réalisation des expériences dans la salle de TP.
Le principe de l’alternance des deux demi-groupes en salle de travaux pratiques est indiqué
sur le Tableau I.
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TP d’Électrochimie, Elèves-Ingénieurs SciGMa 2ème année, Polytech’Grenoble, 2003 3

Tableau I : Heures d’occupation de la salle de TP par un demi-groupe A ou B.
Semaine 12345678
14 H - 16 H A B A B A B A Exam
16 H - 18 H B A B A B A B Exam
Le temps de travail consacré aux expériences étant court (2 h), une préparation du TP est
nécessaire à sa bonne réalisation. Un travail de réflexion préalable à la réalisation des expériences
est donc demandé aux étudiants. Le document “Notions élémentaires sur les cellules électro-
chimiques” fourni dans le cadre du Cours d’Electrochimie a été réalisé dans le but de faciliter ce
travail. Il est donc vivement conseillé d’amener ce document en TP. Une bibliographie est
également fournie dans chaque TP, les ouvrages cités en référence pouvant être consultés en salle
de travail.
La tenue d’un cahier de TP est également demandée par binôme. Pour chaque séance de TP,
ce cahier comporte trois parties :
- les résultats du travail préparatoire,
- les notes informelles prises au cours de l’expérimentation (conditions expérimentales
utilisées, schémas des montages, résultats des mesures, observations),
- le document de synthèse présentant les résultats les plus intéressants, leurs représentations
graphiques et leurs exploitations.
Le contrôle des connaissances comprend le contrôle des cahiers de TP (note de contrôle
continu) et un examen, sous la forme d’une épreuve individualisée avec le cahier de TP comme
seul document autorisé, à la fin des travaux pratiques.
→→
→→ Comme pour tout travail technique, le respect de règles de sécurité est nécessaire en salle de
TP. La manipulation de produits chimiques, de solutions corrosives nécessite le port d’une
blouse. Il est de même recommandé de ne pas manger en salle de TP et il est interdit d’y fumer.
L’utilisation d’appareils électriques (électrochimie) nécessite par ailleurs une séparation nette
entre le plan de travail “chimie” (réalisation des solutions, flaconnage, etc.) et le plan de travail
“électro” afin d’éviter tout risque inhérent à l’utilisation de l’électricité.
Bons TP malgré tout !
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TP d’Électrochimie, Elèves-Ingénieurs SciGMa 2ème année, Polytech’Grenoble, 2003 4